3D Power Packaging für grüne Energie

Leistungshalbleiter sind entscheidende Komponenten aller elektronischen Systeme, von Smartphones bis hin zu Automobilen, und Fortschritte in der Entwicklung von Leistungshalbleitern beschleunigen den Übergang zu einer grünen Wirtschaft.

Neuere, ausgefeilte DC/DC-Wandler tragen dazu bei, den Energieverbrauch durch höhere Effizienz zu senken. Die besten DC/DC-Wandler haben einen Wirkungsgrad von über 95 %, der durch Designinnovationen und den Zugang zu neuen Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) gefördert wird. Die Entwickler grüner Technologieprodukte haben die Tatsache zur Kenntnis genommen, dass die Anzahl der Leistungshalbleiter, im globalen Markt für erneuerbare Energien eingesetzt werden, bis 2027 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 8-10% wachsen wird.

Erhöhte Effizienz ist ein Teil des Puzzles. Eine verbesserte Leistungsdichte ist ein weiterer, denn sie ermöglicht es den Entwicklern, mehr Leistung in das gleiche Volumen zu stecken. Daher kann eine neue Anwendung mehr Funktionalität auf demselben Platz wie ihr Vorgänger oder eine gleichwertige Funktionalität auf kleinerem Raum bieten. Dies ist besonders wichtig, wenn man bedenkt, dass viele umweltfreundliche Anwendungen mechanische Geräte durch ihre elektronischen Gegenstücke ersetzen. Ein Elektrofahrzeug (EV) beispielsweise ersetzt riemengetriebene mechanische HVAC-Einheiten und Servolenkungspumpen durch elektronische Versionen, die dennoch in den begrenzten Raum unter der Motorhaube passen müssen. Und natürlich bedeutet eine geringere Größe auch ein geringeres Gewicht. Das mag für ein einzelnes Gerät nicht viel erscheinen, aber all diese kleinen Gewichtseinsparungen erhöhen die Reichweite des Fahrzeugs.

Was ist Dreidimensionales Power Packaging (3DPP^®)?

Zur Maximierung der Systemleistung gehört auch die Maximierung der Leistung des Stromversorgungs-Subsystems, zu dem alle Stromversorgungen, Stromumwandlungsgeräte, Filter, Schutzvorrichtungen und deren Verbindungen, wie Stecker, Drähte, Kabel, Leiterbahnen usw., gehören.

Zu den zu berücksichtigenden Metriken gehören: Größe, Gewicht und Leistung (SwaP) oder SwaP-C, wenn die Kosten einbezogen werden. Das Dreidimensionale Power Packaging (3DPP^®) ist eine fortschrittliche Bauweise, die es den Entwicklern von Leistungswandlern ermöglicht, viele hochmoderne Technologien in hochdichten, integrierten Geräten zu kombinieren und gleichzeitig SWaP-C zu optimieren. 3DPP^® nutzt modernste Montageverfahren, um eine maximale Leistungsdichte bei minimalem Platzbedarf zu erreichen. Bei Surface-mount DC/DC-Wandlern ermöglicht 3DPP^® Lösungen, die erstklassige Leistung mit maximaler Leistungsdichte und minimalem Footprint kombinieren. Das Ergebnis sind Stromversorgungsprodukte, die deutlich kleiner sind als andere Stromwandlermodule und dennoch hocheffizient sind, ohne dabei kostspieligen Platz auf der Platine beanspruchen.

Die 3DPPR-Technologie macht eine interne Printed Circuit Board (PCB) überflüssig, da die erforderlichen Komponenten direkt auf einen Lead Frame montiert werden, wodurch der Platzbedarf innerhalb des Moduls reduziert wird. Diese Größenreduzierung ermöglicht Ingenieuren und Designern schlankere PCB-Profile mit integrierter Leistungsumwandlung, ohne dass ein kostspieliges, kundenspezifisches Wandlerdesign erforderlich ist.

Natürlich waren auf dem Weg zur 3DPPR-Technologie zahlreiche Fertigungsfortschritte erforderlich. Dazu gehörten die Möglichkeit, sowohl passive als auch aktive Bauelemente einzubetten, die Integration der Flip-Chip-Technologie und Techniken zur Minimierung der induktiven und kapazitiven Störgrößen, die durch interne Gehäuseverbindungen wie Pins, Bumps und Pads entstehen. Die Entwicklung planarer Magnete, wie z.B. Induktivitäten und Transformatoren, war ein weiterer wichtiger Schritt, denn sie ermöglichte die Konstruktion einer sauberen, streng kontrollierten, wiederholbaren und robusten magnetischen Komponente in einem kompakten Formfaktor. , was another key step because it allowed for the construction of a cleaner, tightly controlled, repeatable, and robust magnetic component in a compact form factor.

Der RPX-1.0 DC/DC Wandler: ein kompletter DC/DC-Abwärtsregler in einem winzigen Gehäuse

3DPPR-fähige Bauelemente sind in verschiedenen Gehäusetypen erhältlich, darunter Land Grid Array (LGA), Gull Wing, Quad Flat No Leads (QFN), Blocks-and-Pillars und Lötkugeln, was bei Anwendungen mit begrenztem Platzangebot den Unterschied ausmachen kann.

Der RPX-1.0 von RECOM ist ein Beispiel für die Vorteile der 3DPPR-Technologie. Es handelt sich um ein nicht isoliertes Abwärtsregler-Power Modules mit integrierter Drosselspule in einem thermisch optimierten QFN-Gehäuse. Der RPX-1.0 misst nur 3mm × 5mm × 1,6mm und ist damit von der Größe her vergleichbar mit einem integrierten Schaltkreis (IC). Der Eingangsbereich reicht von 4 bis 36VDC, so dass 5V, 12V oder 24V Versorgungsspannungen verwendet werden können. Die Ausgangsspannung kann mit zwei Widerständen im Bereich von 0,8VDC bis 30VDC eingestellt werden. Der Ausgangsstrom beträgt bis zu 1A und ist vollständig gegen Dauerkurzschlüsse, Überstrom am Ausgang oder Übertemperatur geschützt.

Die RECOM RPMB/RPMH Serie ist eine 30W Familie nicht-isolierter ´Power Modules in einem thermisch verbesserten 25-Pad LGA-Gehäuse mit den Abmessungen 11,7mm × 12,19mm × 3,75mm hoch. Diese Leistungsdichte wird durch die 3DPPR-Technologie erreicht, eine mehrlagige interne Leiterplatte, die gesteckte und blinde Durchkontaktierungen für eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine effiziente Nutzung des verfügbaren Platzes verwendet. Eine sechsseitige metallische Abschirmung sorgt für geringe EMI.

Das 3DPPR-Gehäuse kann auch für isolierte Topologien verwendet werden. Der RxxCTxxS ist eine Familie kostengünstiger, flacher, 500mW SMD-isolierter DC/DC-Wandlern mit einem Ausgang, die sich ideal für Anwendungen wie PV-betriebene Sensorinstallationen, medizinische Anwendungen und Kommunikationsknoten eignen, die eine robuste Isolierung erfordern. Der R05CT05S ist eine Einzellösung mit einem 5V-Eingang und einem vom Benutzer definierbaren, geregelten 3,3V- oder 5V-Ausgang. Es ist keine Mindestlast erforderlich. Die Standardisolierung beträgt 5kVAC pro Minute mit einer 2MOPP-Einstufung für medizinische Anwendungen.

Fazit

Viele grüne Energieanwendungen erfordern DC/DC-Wandler mit effizientem Betrieb in einem kleinen Formfaktor. Die 3DPPR-Technologie von RECOM wird in zahlreichen isolierten und nicht isolierten Wandlern eingesetzt, die eine hohe Leistungsdichte mit extrem kleinen Abmessungen kombinieren.